ES2305049T3 - PROCEDURE FOR THE MANUFACTURE OF STEEL OBJECTS FOR TOOLS THROUGH DUST METALURGY. - Google Patents
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Abstract
Description
Procedimiento para la fabricación de objetos de acero para herramientas mediante la metalurgia de polvos.Procedure for the manufacture of objects of tool steel by powder metallurgy.
La invención se refiere a un procedimiento para la fabricación mediante metalurgia de polvos de objetos de acero para herramientas con una homogeneidad mejorada, mayor pureza y mejores propiedades.The invention relates to a method for metallurgy manufacturing of steel object powders for tools with improved homogeneity, greater purity and Better properties
La invención hace referencia, además, a un objeto de acero para herramientas con un perfil de propiedades mejorado.The invention also refers to a tool steel object with a property profile improved.
Los aceros de herramientas con elevadas concentraciones de carbono y elevados contenidos de elementos formadores de carburos se utilizan para piezas de corte y componentes con una elevada resistencia al desgaste. Como en una solidificación de aleaciones de este tipo dentro de moldes de fundición se forman inhomogeneidades así como carburos eutécticos y primarios bastos, que dan lugar a problemas de fabricación y a unas malas propiedades mecánicas de las herramientas o componentes fabricados a partir de ellas, resulta ventajosa la fabricación de tales piezas mediante metalurgia de polvos.Tool steels with high carbon concentrations and high element contents carbide formers are used for cutting parts and components with high wear resistance. As in a solidification of alloys of this type within molds of foundries form inhomogeneities as well as eutectic carbides and coarse primaries, which give rise to manufacturing problems and some bad mechanical properties of tools or components manufactured from them, it is advantageous to manufacture such parts by powder metallurgy.
Una fabricación pulvimetalúrgica comprende fundamentalmente una atomización de una masa fundida de acero para herramientas para la obtención de polvo metálico, una introducción y compactación del polvo metálico en un recipiente o una cápsula, un cerrado hermético de la cápsula y un calentamiento y prensado isostático en caliente del polvo dentro de la cápsula para obtener un material homogéneamente denso.A powder metallurgical manufacturing comprises fundamentally an atomization of a steel melt to tools for obtaining metal dust, an introduction and compaction of the metal powder in a container or a capsule, a tightly sealed capsule and warming and pressing Hot isostatic powder inside the capsule to get a homogeneously dense material.
Al efectuar una atomización del metal fundido, que se realiza ventajosamente con nitrógeno según el estado actual de la técnica, se forman dentro de la corriente de gas unas pequeñas gotitas metálicas con una elevada relación de superficie respecto del volumen, lo que da lugar a una elevada velocidad de enfriamiento y solidificación del metal líquido y, consiguientemente, de pequeñas partículas de carburo en los granos de polvo. Tal y como se ha mencionado anteriormente, se conforma a continuación el polvo, compactado en la mayoría de los casos mediante sacudidas dentro de la cápsula, dentro de ésta mediante prensado isostático en caliente a temperaturas superiores a 1080ºC por regla general, aplicando una presión de más de 85 MPa, para obtener un cuerpo metálico completamente denso. Este cuerpo metálico a-HIPed, que puede ser sometido todavía a una conformación en caliente, presenta, con un elevado contenido de carburo, un tamaño ventajosamente pequeño del carburo que viene a ser por término medio de 1-3 um, y unas buenas propiedades mecánicas del material, en comparación con una fabricación metalúrgica por fusión.When atomizing molten metal, which is advantageously carried out with nitrogen according to the current state of the technique, small gasses are formed within the gas stream metal droplets with a high surface ratio of volume, which results in a high cooling rate and solidification of the liquid metal and, consequently, of Small particles of carbide in the dust grains. Just like mentioned above, the powder is then formed, compacted in most cases by shaking within the capsule, inside it by hot isostatic pressing at temperatures above 1080 ° C as a rule, applying a pressure of more than 85 MPa, to obtain a metallic body completely dense. This metal body a-HIPed, which can still be subjected to hot forming, it presents, with a high carbide content, a size advantageously small carbide that comes to be by term average of 1-3 um, and good mechanical properties of the material, compared to a metallurgical manufacturing by fusion.
Los objetos de acero para herramientas fabricados mediante metalurgia de polvos muestran ciertamente una estructura muy ventajosa con fases finamente distribuidas de carburos; no obstante, y debido a una isotropía incompleta del material y a un mal grado de pureza, no se puede alcanzar el elevado potencial de calidad que se puede alcanzar en materiales PM.Steel tool objects manufactured by powder metallurgy certainly show a very advantageous structure with finely distributed phases of carbides; however, and due to an incomplete isotropy of the material and a poor degree of purity, the high cannot be achieved Quality potential that can be achieved in PM materials.
La invención se ha propuesto aportar remedio a esta situación, y se ha fijado como meta el eliminar la falta de calidad de los objetos PM de acero para herramientas fabricados con arreglo al estado actual de la técnica, y presentar un procedimiento del tipo mencionado al principio, con el que se pueda fabricar un cuerpo metálico compactado isostáticamente con una isotropía máxima del material y un contenido mínimo de inclusiones oxídicas.The invention has been proposed to provide a remedy for this situation, and the goal of eliminating the lack of quality of steel PM objects for tools manufactured with according to the current state of the art, and present a procedure of the type mentioned at the beginning, with which you can manufacture an isostatically compacted metal body with a maximum isotropy of the material and a minimum content of inclusions oxidic
La invención tiende además hacia un objeto de acero para herramientas con unas propiedades mejoradas de mecanizado y utilización, junto con un período de duración mayor.The invention also tends towards an object of tool steel with improved properties of machining and use, along with a period of duration higher.
Este objetivo se consigue gracias al procedimiento de la reivindicación 1.This goal is achieved thanks to the procedure of claim 1.
Las ventajas que se obtienen con el procedimiento al que se refiere la invención se deben fundamentalmente a que se mejora en primer lugar sinergéticamente de forma decisiva mediante un trabajo metalúrgico el grado de pureza de óxidos de una masa fundida introducida en un recipiente metalúrgico y se ajusta su temperatura homogéneamente a un valor de sobrecalentamiento ventajoso, realizándose a continuación una atomización del metal líquido de tal forma que el diámetro medio de los granos es de 50 hasta 70 \mum. De este modo se consigue que, por un lado, sea asombrosamente pequeño el contenido de oxígeno en el polvo y, por otro lado, aumente también sustancialmente la proporción de granulación fina con vistas a la consecución de una elevada compactación mediante sacudidas y vibración dentro de la cápsula. Si se procede a continuación, tal y como se ha previsto en la invención, a clasificar el polvo metálico, manteniendo la atmósfera de nitrógeno, a reunirlo, introducirlo en un recipiente, compactarlo dentro del mismo y a cerrar herméticamente el recipiente, no se podrá producir ningún tipo de oxidación o fisisorción de oxígeno en la superficie del grano de polvo.The advantages obtained with the procedure to which the invention relates are due fundamentally that it improves first synergistically decisively through metallurgical work the degree of purity of oxides of a melt introduced into a container metallurgical and its temperature is adjusted homogeneously to a value of advantageous overheating, then performing a atomization of the liquid metal such that the average diameter of The grains are 50 to 70 µm. This way you get that, on the one hand, the surprisingly small oxygen content in dust and, on the other hand, also substantially increase the proportion of fine granulation with a view to achieving a high compaction by shaking and vibration within the capsule. If you proceed below, as provided in the invention, to classify the metal powder, maintaining the nitrogen atmosphere, to gather it, introduce it in a container, compact it inside it and close the container, no oxidation or oxygen fisisorption on the surface of the dust grain.
La distribución, según la invención, de los diámetros de los granos con un valor medio en torno a 50 hasta 70 \mum permite alcanzar una densidad inesperadamente alta del polvo dentro de la cápsula de manera que, por un lado, resulta pequeña la medida de contracción durante el prensado isostático en caliente y, por otro lado, se consigue una isotropía en gran medida completa del cuerpo metálico denso compactado. Estas ventajas se consiguen también con recipientes cuyas dimensiones presenten un diámetro o un grosor de más de 300 mm y una longitud de más de 1000 mm.The distribution, according to the invention, of the grain diameters with an average value around 50 to 70 um allows to reach an unexpectedly high dust density inside the capsule so that, on the one hand, the shrinkage measurement during hot isostatic pressing and, on the other hand, a largely complete isotropy is achieved of the compacted dense metal body. These advantages are achieved also with containers whose dimensions have a diameter or a thickness of more than 300 mm and a length of more than 1000 mm.
Los parámetros para el ciclo de prensado o compactado isostático en caliente comprenden un calentamiento del polvo dentro del recipiente con un aumento fundamentalmente igual de la temperatura y la presión, por lo que ya durante esta fase se alcanza, tal y como se ha indicado, un aumento de la densidad y homogeneidad del material. La operación posterior de prensado se realiza dentro de una gama de temperaturas de 1100ºC hasta 1180ºC con una presión de 90 MPa o superior, con un tiempo de duración de tres horas como mínimo, seguido por un enfriamiento lento del cuerpo compactado. Unas temperaturas de prensado por debajo de los 1100ºC y unas presiones inferiores a 90 Mpa, así como unos tiempos inferiores de prensado o compactado pueden provocar la presencia de defectos en el material.The parameters for the pressing cycle or hot isostatic compacting comprise a heating of the powder inside the container with a fundamentally equal increase of temperature and pressure, so during this phase reaches, as indicated, an increase in density and homogeneity of the material. The subsequent pressing operation is performs within a temperature range of 1100ºC to 1180ºC with a pressure of 90 MPa or higher, with a duration of at least three hours, followed by a slow cooling of the compacted body Pressing temperatures below 1100ºC and pressures below 90 Mpa, as well as times Lower pressing or compacting may cause the presence of defects in the material
El cuerpo compactado muestra, tras el HIP, una estructura del material completamente densa, por lo que se puede mecanizar en este estado, o tras un tratamiento térmico, para la fabricación de una herramienta.The compacted body shows, after HIP, a completely dense material structure, so you can machining in this state, or after heat treatment, for manufacture of a tool
Para la elevada calidad del objeto de acero para herramientas fabricado mediante metalurgia de polvos con el procedimiento al que se hace referencia en la invención resulta determinante su bajo contenido de inclusiones así como el pequeño tamaño de las mismas. El elevado grado oxídico de pureza, que se documenta con un valor K0 según DIN 50 602 que es fundamentalmente de 3 como máximo, no solo da lugar a unas propiedades mecánicas fuertemente mejoradas del material en todas las direcciones de solicitaciones, especialmente cuando las temperaturas elevadas de utilización son elevads, sino que mejora también en gran medida sus propiedades de utilización, preferentemente la dureza del filo de herramientas de corte fino.For the high quality of the steel object for tools manufactured by powder metallurgy with the procedure referred to in the invention results determinant its low content of inclusions as well as the small size of them. The high oxidic degree of purity, which is documents with a K0 value according to DIN 50 602 which is fundamentally of 3 at most, not only gives rise to mechanical properties strongly improved material in all directions of solicitations, especially when elevated temperatures of utilization are high, but also greatly improves their utilization properties, preferably the hardness of the cutting edge of fine cutting tools
Un aumento especialmente relevante de la calidad del objeto se consigue, realizando su fabricación con arreglo al procedimiento al que hace referencia la invención, si la masa fundida se halla formada por una aleación a base de hierro que contenga en % de peso:An especially relevant increase in quality of the object is achieved, making its manufacture according to procedure referred to in the invention, if the mass molten is formed by an iron-based alloy that contain in% of weight:
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así como oligoelementos hasta una concentración total de 4,8, estando constituido el resto por impurezas y hierro. La anterior composición química del acero para herramientas comprende aceros para herramientas especialmente ricos en carburos con una elevada resistencia a la fricción y una elevada resistencia de corte de las herramientas fabricadas a partir de los mismos. Dado que una elevada proporción de carburos empeora por regla general las propiedades mecánicas del material, reviste una importancia especial su mejoramiento básico gracias al procedimiento al que hace referencia la invención. Se ha podido comprobar que estos elevados valores característicos mecánicos, especialmente la resiliencia del material, se explican sinergéticamente por el pequeño diámetro medio de los granos del polvo, una distribución homogéneamente compacta dentro de la cápsula y el elevado grado de pureza o limpieza de óxidos con una estructura isótropa del objeto prensado isostáticamente en caliente.as well as trace elements up to a total concentration of 4.8, the rest being constituted by impurities and iron. The previous chemical composition of steel for tools includes steels for especially rich tools in carbides with a high resistance to friction and a high shear resistance of tools manufactured from same. Since a high proportion of carbides worsens by general rule the mechanical properties of the material, covers a special importance its basic improvement thanks to the procedure to which the invention refers. It has been verified that these high mechanical characteristic values, especially the material resilience, are explained synergistically by the small average diameter of the powder grains, a distribution homogeneously compact inside the capsule and the high degree of purity or cleaning of oxides with an isotropic structure of the object isostatically pressed in hot.
El grado de pureza de óxidos del metal líquido se puede mejorar de manera eficaz mediante un trabajo metalúrgico, siempre que se realice un acondicionamiento de la masa fundida dentro del recipiente metalúrgico con una corriente turbulenta inducida de la misma y con un recubrimiento completo del baño metálico mediante escoria líquida, que se calentará especialmente por medio del paso directo de corriente durante un período de 15 minutos como mínimo. Se favorecerá al respecto una evacuación de compuestos de oxígeno u óxidos desde la masa fundida y una absorción de los mismos en la escoria caliente, aumentando la eficiencia la corriente inducida del baño metálico. Resulta conocida la técnica de actuar sobre una corriente de metal líquido dentro de un recipiente metalúrgico, introduciendo gas argón de atomización a través, como mínimo, de una piedra de atomización permeable al gas situada en la zona del suelo. Es importante, no obstante, que, con el fin de evitar una reoxidación de la masa fundida, se mantenga plenamente su recubrimiento por medio de escoria líquida, incluso cuando se realicen movimientos en la masa fundida. Para evitar problemas al utilizar una piedra de atomización, por lo que respecta a la fiabilidad de una configuración de una corriente metálica eficiente y controlada, así como con el fin de evitar dificultades en la introducción del gas de agitación y atomización, teniendo en cuenta que unas cantidades de gas pequeñas tienen poca eficacia metalúrgica, en tanto que unas cantidades elevadas de gas dejan partes de la superficie de la masa fundida sin escoria, lo que puede provocar su oxidación así como el mezclado de partículas de escoria en el acero, se da preferencia a medios electromagnéticos, por ejemplo a bobinas de agitación electromagnéticas, para crear una corriente turbulenta inducida en el metal líquido. Se puede realizar también al respecto, de forma muy ventajosa, un ajuste y una distribución uniforme de la temperatura del baño metálico mediante una aportación de energía térmica en la escoria aplicada con el paso de una corriente eléctrica.The degree of purity of oxides of the liquid metal It can be improved effectively by metallurgical work, provided that the melt is conditioned inside the metallurgical vessel with a turbulent current induced of the same and with a complete coating of the bath metallic by liquid slag, which will be specially heated through the direct passage of current over a period of 15 min at least An evacuation of oxygen compounds or oxides from the melt and a absorption of the same in the hot slag, increasing the efficiency the induced current of the metallic bath. Result known the technique of acting on a stream of liquid metal inside a metallurgical vessel, introducing argon gas from atomization through at least one atomization stone gas permeable located in the ground area. It is important, no However, in order to avoid a reoxidation of the mass cast, its coating is fully maintained by liquid slag, even when mass movements are made cast. To avoid problems when using a stone atomization, as regards the reliability of a configuration of an efficient and controlled metal current as well as in order to avoid difficulties in the introduction of gas from agitation and atomization, taking into account that some amounts of Small gas have little metallurgical efficiency, while some high amounts of gas leave parts of the dough surface molten without slag, which can cause oxidation as well as mixing of slag particles in the steel, preference is given to electromagnetic means, for example to stir coils electromagnetic, to create a turbulent current induced in liquid metal It can also be done about it, so very advantageous, an adjustment and a uniform distribution of the temperature of the metallic bath by means of an energy contribution thermal in the slag applied with the passage of a current electric
En otra configuración de la invención se ha previsto que la masa fundida acondicionada pase a través del cuerpo de una tobera del recipiente metalúrgico, introduciéndose con un diámetro de la corriente de masa fundida de 4,0 hasta 10,0 mm en una cámara de atomización, y siendo sometida en ésta a la acción de tres chorros de gas sucesivos como mínimo constituidos por nitrógeno, con un grado de pureza del nitrógeno del 99,999% como mínimo, siempre y cuando el último impacto del chorro de gas sobre la corriente de masa fundida se vea realizado por un chorro que presente una velocidad que sea, al menos parcialmente, mayor que la velocidad del sonido. Un mantenimiento del diámetro de la corriente de masa fundida y la elevada energía cinética de la acción del gas sobre la corriente de metal fundido provocan una distribución favorable de los granos y la finura deseada del polvo metálico preparado. El acondicionamiento y el ajuste de la temperatura del metal líquido dentro del recipiente metalúrgico, así como el grado de pureza del gas de atomización constituido por nitrógeno explican también el grado de pureza asombrosamente elevado o la pequeña proporción de oxígeno en el polvo y, consiguientemente, en el bloque compactado o prensado isostáticamente en caliente.In another configuration of the invention, provided that the conditioned melt passes through the body of a nozzle of the metallurgical vessel, being introduced with a diameter of the melt stream from 4.0 to 10.0 mm in an atomization chamber, and being subjected thereto to the action of at least three successive jets of gas constituted by nitrogen, with a degree of nitrogen purity of 99.999% as minimum, as long as the last impact of the gas stream on the melt stream is made by a jet that present a speed that is, at least partially, greater than the Speed of sound. A maintenance of the diameter of the current of melt and the high kinetic energy of the gas action over the molten metal stream cause a distribution favorable grains and the desired fineness of metallic powder prepared. Conditioning and adjustment of the temperature of the liquid metal inside the metallurgical vessel, as well as the grade of purity of the atomization gas constituted by nitrogen explain also the surprisingly high degree of purity or the small proportion of oxygen in the powder and, consequently, in the block compacted or isostatically hot pressed.
Como incluso unas proporciones pequeñas de grano grueso en el polvo metálico, especialmente al rellenar la cápsula y al compactar el polvo, pueden provocar desmezclados en el mismo, resulta ventajoso ajustar o clasificar el diámetro de los granos de polvo mediante la técnica de atomización a un valor máximo de 500 \mum.Like even small proportions of grain thick in the metal powder, especially when filling the capsule and by compacting the powder, they can cause misdirections in it, it is advantageous to adjust or classify the diameter of the grains of powder by atomization technique at a maximum value of 500 \ mum.
En cualquier caso se puede prever según la invención, con el fin de garantizar una distribución homogénea y aumentar la calidad del producto, que el polvo recogido en un recinto de preparación se fluidice y mezcle con nitrógeno y, manteniendo la atmósfera de nitrógeno, se introduzca en un recipiente o en una cápsula con un peso total de más de 0,5 t, compactándose por medio de sacudidas y cerrándose de forma hermética al paso de gas.In any case, it can be foreseen according to invention, in order to guarantee a homogeneous distribution and increase the quality of the product, that the powder collected in a Preparation enclosure is fluidized and mixed with nitrogen and, maintaining the nitrogen atmosphere, enter a container or in a capsule with a total weight of more than 0.5 t, compacting by shaking and closing tightly to the passage of gas.
De este modo se puede garantizar que, si se introduce de forma económicamente ventajosa el polvo homogeneizado en un recipiente o en una cápsula con un diámetro o un espesor igual o mayor de 400 mm y con una longitud de 1000 mm como mínimo, adquiera homogeneidad y una densidad completa el material del bloque fabricado, aplicando los parámetros anteriormente mencionados para el ciclo de compactación isostática en caliente.This ensures that, if introduces the homogenized powder economically advantageously in a container or in a capsule with an equal diameter or thickness or greater than 400 mm and with a length of at least 1000 mm, Acquire homogeneity and complete density block material manufactured, applying the aforementioned parameters to the hot isostatic compaction cycle.
Si se introduce la cápsula rellenada con polvo en estado frío en un dispositivo HIP y se realiza un calentamiento posterior de la cápsula de polvo con aplicación de una presión circundante por todos los lados, se podrá acortar, por un lado, el tiempo de calentamiento completo debido a una mayor conducción del calor y se podrá realizar una compactación previa con vistas a una isotropía del bloque prácticamente completa.If the powder-filled capsule is introduced in a cold state in a HIP device and heating is performed back of the powder capsule with pressure application surrounding on all sides, you can shorten, on the one hand, the full warm-up time due to increased conduction of heat and a previous compaction can be carried out with a view to a block isotropy practically complete.
Tal y como ya se ha indicado puede resultar beneficioso en determinados casos, en apoyo de la consolidación, el realizar el calentamiento y/o la operación de prensado del polvo, aplicando una temperatura constante, uniformemente variable en su caso, oscilando en torno a un valor medio, y realizando la operación de prensado o compactactión con una temperatura de 1140ºC como mínimo, y de 1170ºC como máximo.As already indicated, it may be beneficial in certain cases, in support of consolidation, the perform heating and / or powder pressing operation, applying a constant temperature, uniformly variable in its case, oscillating around an average value, and performing the operation of pressing or compaction with a temperature of 1140 ° C as minimum, and 1170ºC maximum.
Dadas las propiedades mejoradas del material resulta posible, y puede resultar especialmente ventajoso para minimizar los costes, la utilización del bloque, fabricado con la técnica de la metalurgia de polvos según la invención, en el estado as-HIPed o con una conformación mínima, realizada por razones económicas, como material previo para herramientas o partes de herramientas.Given the improved material properties it is possible, and it can be especially advantageous for minimize costs, the use of the block, manufactured with the powder metallurgy technique according to the invention, in the state as-HIPed or with a minimum conformation, performed for economic reasons, as prior material for tools or tool parts
El amplio objetivo que se plantea conseguir la invención de crear un objeto de acero para herramientas con unas propiedades mejoradas de mecanizado y utilización, junto con un período de vida útil o utilización más amplio, se conseguirá con un objeto de acero para herramientas fabricado mediante la técnica de metalurgia de polvos, con unas propiedades mejoradas del material que está constituido por una aleación a base de hierro que contiene en %:The broad objective of achieving the invention of creating a tool steel object with some improved machining and utilization properties, along with a Longer shelf life or use, will be achieved with a tool steel object manufactured using the technique of powder metallurgy, with improved material properties which consists of an iron-based alloy that contains in %:
así como oligoelementos hasta una concentración total de 4,8, estando constituido el resto por impurezas y hierro, presentando dicho material un valor K0 de 3 como máximo, según DIN 50 062.as well as trace elements up to a total concentration of 4.8, the rest being constituted by impurities and iron, said material having a K0 value of 3 at most, according to DIN 50 062
Los aceros para herramientas presentan un amplio espectro por lo que respecta a la concentración de los correspondientes elementos de aleación que interactúan siempre mutuamente y que han de considerarse respecto de la concentración de carbono. Unas concentraciones de carbono menores del 0,52% del peso dan lugar a una proporción más baja de carburos y/o a una menor dureza de la matriz en el estado térmicamente bonificado del acero, mientras que unas concentraciones que superen el 3,74% del peso de carbono excluyen ampliamente la posibilidad, incluso en caso de fabricación mediante metalurgia de polvos, de utilizar el material para herramientas, a causa del perfil mecánico de sus propiedades.Tool steels have a broad spectrum with regard to the concentration of corresponding alloy elements that always interact to each other and to be considered regarding concentration carbon Carbon concentrations lower than 0.52% of weight results in a lower proportion of carbides and / or a lower hardness of the matrix in the thermally bonded state of steel, while concentrations exceeding 3.74% of carbon weight widely exclude the possibility, even in manufacturing case using powder metallurgy, using the tool material, because of the mechanical profile of their properties.
Para una buena templabilidad y para las propiedades mecánicas y químicas que se pueden alcanzar en los objetos revisten una especial importancia los elementos Mn y Cr, dando lugar unas concentraciones superiores al 2% de peso de Mn y superiores al 21% de peso de Cr a una caída de los valores del material necesarios para las herramientas.For good hardenability and for mechanical and chemical properties that can be achieved in the objects are especially important elements Mn and Cr, giving rise to concentrations greater than 2% of weight of Mn and greater than 21% Cr weight at a fall in the values of Material needed for the tools.
La elevada afinidad con el carbono de los elementos Mo, V, Nb/Ta y W genera, en proporciones adecuadas, una configuración deseable de carburos y carburos mixtos dentro de una matriz de aleación. En la secuencia de los elementos indicada anteriormente no deberían sobrepasarse, sin embargo, los valores de concentración en % de peso 10,0; 14,9; 2,0; 20,0, ya que en dicho caso no se dispondría por un lado del deseado comportamiento de bonificación y, por otra parte, no se podría alcanzar la mecanizabilidad y las propiedades mecánicas previstas para los materiales.The high carbon affinity of Mo, V, Nb / Ta and W elements generate, in appropriate proportions, a Desirable configuration of carbides and mixed carbides within a alloy matrix In the sequence of the indicated elements previously, the values of concentration in weight% 10.0; 14.9; 2.0; 20.0, since in said case the desired behavior of bonus and, on the other hand, you could not reach the mechanizability and mechanical properties provided for materials.
El Ni podrá estar presente en la aleación, eventualmente, sin efectos perjudiciales con una concentración de hasta un 1,0% del peso. El Co aumenta la dureza en caliente y la resistencia del filo de corte de las herramientas, aunque influye empeorando las propiedades a partir de una concentración del 20,8% del peso. Unas concentraciones de azufre de hasta un 0,5% del peso mejoran la mecanizabilidad con arranque de viruta del acero para herramientas, sin perjudicar no obstante el grado de pureza del mismo de una forma que provoque una reducción de los valores mecánicos del material.Ni may be present in the alloy, eventually, without harmful effects with a concentration of up to 1.0% of the weight. Co increases hot hardness and resistance of the cutting edge of the tools, although it influences worsening the properties from a concentration of 20.8% Of weight. Sulfur concentrations of up to 0.5% of the weight improve machinability with steel chip removal for tools, notwithstanding the degree of purity of the same in a way that causes a reduction in values Material mechanics.
Según la invención presenta el acero para herramientas una valor K0 definido según DIN 50 062 que es fundamentalmente de 3 como máximo. Este elevado grado de pureza del material no solamente ocasiona una gran mejora de las propiedades mecánicas en estado bonificado, por ejemplo una tenacidad esencialmente mayor del material, sino que se ven también mejoradas de manera determinante las propiedades de uso o utilización, especialmente la resistencia del filo de corte de herramientas de corte fino para objetos duros. Este aumento de la calidad de los objetos de acero para herramientas fabricado según la invención mediante metalurgia de polvos se debe especialmente, tal y como se ha podido constatar, a que la baja proporción de inclusiones no metálicas pequeñas y la ausencia de inclusiones no metálicas grandes minimizan la iniciación de una fisuración provocada por ellas.According to the invention, it presents the steel for tools a K0 value defined according to DIN 50 062 which is fundamentally 3 at most. This high degree of purity of material not only causes a great improvement of the properties mechanics in a subsidized state, for example a toughness essentially larger material, but they are also improved decisively the use or use properties, especially the resistance of the cutting edge of tools fine cut for hard objects. This increase in the quality of tool steel objects manufactured according to the invention Powder metallurgy is especially due, as has been able to verify that the low proportion of inclusions does not Small metallic and the absence of non-metallic inclusions large minimize the initiation of a cracking caused by they.
A continuación se explica con mayor detalle la invención, basándose en resultados de investigaciones realizadas:The following explains in more detail the invention, based on research results made:
- De aceros para trabajar en frío y de aceros de corte rápido con unas concentraciones de carbono C superiores al 2,2% del peso, de aproximadamente un 12,5% del peso de Cr y superiores al 4,0 & del peso de V, o bien del 1,1 hasta el 1,4% del peso de C, de aproximadamente un 4,3% del peso de Cr, aproximadamente un 5% del peso de Mo, un 3 hasta un 5% del peso de V, un 5,8 hasta un 6,5% del peso de W, hasta un 9% del peso, dado el caso, de Co y el resto hierro e impurezas, se fundieron para realizar pruebas 50 piezas de cargas de 8 t, en un recipiente metalúrgico conectado con una cámara de atomización, cubierto con una escoria reactiva, calentándose ésta por medio de electrodos con paso directo de la corriente. Dentro de un intervalo de tiempo de 15 hasta 45 minutos se realizó un acondicionamiento de la masa fundida con una agitación inductiva turbulenta de la misma, quedando siempre cubierta la superficie de la masa fundida con escoria caliente. A continuación se dejó libre un agujero del cuerpo de una tobera del recipiente metalúrgico, y se inyectaron sobre la corriente de metal líquido que penetraba en la cámara de atomización con un diámetro de 4,0 hasta 10,0 mm unos chorros sucesivos de gas constituido por nitrógeno, dirigiéndose el último chorro de gas, que sale de la tobera con una velocidad superior a la del sonido, sobre el metal líquido y descomponiéndolo en pequeñas gotas. En la cámara de atomización se realizó una solidificación de las gotitas en granos de polvo dentro de una atmósfera de nitrógeno con un grado de pureza del 99,999%. La atmósfera de nitrógeno sobre el polvo se mantuvo también durante el proceso de clasificación y recogida del mismo, extrayéndose del recipiente colector en cada caso muestras para la clasificación de las partículas de polvo.From steels to work cold and fast cutting steels with some C carbon concentrations greater than 2.2% of the weight of approximately 12.5% of Cr weight and greater than 4.0 & of the weight of V, or 1.1 to 1.4% of the weight of C, of approximately 4.3% of the weight of Cr, approximately 5% of the Mo weight, 3 to 5% of the weight of V, 5.8 to 6.5% of the weight of W, up to 9% of the weight, if applicable, of Co and the rest iron and impurities, 50 pieces of loads of 8 t, in a metallurgical vessel connected to a atomization chamber, covered with a reactive slag, heating it by means of electrodes with direct passage of the stream. Within a time interval of 15 to 45 minutes melt conditioning was performed with stirring turbulent inductive of the same, always covering the surface of the melt with hot slag. Then a hole in the body of a vessel nozzle was released metallurgical, and they were injected into the stream of liquid metal that penetrated the atomization chamber with a diameter of 4.0 up to 10.0 mm successive jets of gas constituted by nitrogen, addressing the last jet of gas, which leaves the nozzle with a speed greater than that of sound, on metal liquid and breaking it down into small drops. In the chamber of atomization a solidification of the droplets in grains was performed of dust within a nitrogen atmosphere with a degree of 99.999% purity. The nitrogen atmosphere above the dust is also maintained during the process of classification and collection of same, extracting from the collecting container in each case samples for the classification of dust particles.
Desde el recipiente colector se introdujo el polvo en un recipiente o en una cápsula de acero no aleado, efectuándose una compactación del relleno de polvo mediante vibración o sacudidas del recipiente o de la cápsula, procediéndose finalmente al cierre de la cápsula. La cápsula rellenada con el polvo de aleación compactado, con un diámetro de 420 mm \diameter y una longitud de 2000 mm se introdujo en estado frío en la instalación HIP, aumentándose al mismo tiempo la presión y la temperatura. Se realizó un prensado isostático en caliente con una temperatura de 1155ºC y una presión de 105 MPa dentro de un espacio de tiempo de 3,85 horas, enfriándose lentamente a continuación el cuerpo compactado. Tras una conformación en caliente con un grado de conformación de 0,2 hasta 8,1 veces se realizó una toma de muestras a partir de las piezas de forja.From the collecting vessel the powder in a container or in a non-alloy steel capsule, with a compaction of the powder filling by vibration or shaking of the container or capsule, proceeding finally at the closure of the capsule. The capsule filled with the compacted alloy powder, with a diameter of 420 mm \ diameter and a length of 2000 mm was introduced in the cold state in the HIP installation, while increasing pressure and temperature. Hot isostatic pressing was performed with a temperature of 1155ºC and a pressure of 105 MPa within a space of time of 3.85 hours, slowly cooling then the compacted body After a hot forming with a degree of conformation of 0.2 to 8.1 times a sample was taken from the forge pieces.
Las 50 muestras de polvo que se tomaron del recipiente o depósito colector, utilizando el procedimiento al que hace referencia la invención, se sometieron a un análisis granulométrico. En la Tabla 1 (reparto o distribución granulométrica del polvo metálico) se reproducen los resultados, y concretamente la correspondiente proporción media de polvo en las distintas clases de partículas, comparándolos con 92 resultados obtenidos aplicando el procedimiento usual según el estado actual de la técnica.The 50 dust samples that were taken from container or collecting tank, using the procedure to which reference is made to the invention, they were subjected to an analysis granulometric In Table 1 (distribution or distribution granulometric metal powder) the results are reproduced, and specifically the corresponding average proportion of dust in the different kinds of particles, comparing them with 92 results obtained by applying the usual procedure according to the current state of technique
Los polvos preparados con un procedimiento según la invención poseían un porcentaje del 52% de la cantidad total de partículas con un diámetro del grano de 63 um y alcanzaban un porcentaje de aproximadamente el 72% hasta un tamaño del grano de 100 \mum. El polvo fabricado según el estado actual de la técnica muestra por el contrario en las mismas clases unos porcentajes del 21,7% y del 36,2%. Si se compara el tamaño medio determinado de las partículas, el mismo es de 61 \mum en caso de preparación del polvo según la invención, en tanto que en una fabricación de polvos realizada según el estado actual de la técnica se determinó un tamaño medio de las partículas el doble de grande con 141 \mum.Powders prepared with a procedure according to the invention possessed a percentage of 52% of the total amount of particles with a grain diameter of 63 um and reached a percentage of approximately 72% up to a grain size of 100 µm. The powder manufactured according to the current state of the art on the contrary it shows in the same classes some percentages of 21.7% and 36.2%. If you compare the determined average size of the particles, it is 61 µm in case of preparation of the powder according to the invention, while in a powder manufacture carried out according to the current state of the art a average particle size twice as large with 141 \ mum.
En la Figura 1 (procedimiento de fabricación según la invención) y en la Figura 2 (procedimiento de fabricación según el estado de la técnica) se muestran polvos en una distribución suelta. En este estado se presentan en el polvo tomado para realizar comparaciones (estado de la técnica), tal y como se muestra en la Figura 2, zonas de desmezclado con una acumulación de granos de polvo bastos 1 y fracciones finas 2. Cuando se trata de polvos fabricados según la invención nos encontramos, por el contrario, con una amplia homogeneidad. Lo mismo se puede decir de la Figura 3 (preparación del polvo según la invención) y de la Figura 4 (polvo comparativo) según el estado de la técnica.In Figure 1 (manufacturing procedure according to the invention) and in Figure 2 (manufacturing process according to the state of the art) powders are shown in a loose distribution. In this state they occur in the dust taken to make comparisons (state of the art), as shown in Figure 2, unmixed areas with an accumulation of coarse dust grains 1 and fine fractions 2. When it comes to Powders manufactured according to the invention we find, by On the contrary, with a wide homogeneity. The same can be said of Figure 3 (preparation of the powder according to the invention) and of the Figure 4 (comparative powder) according to the state of the art.
De 50 piezas en bruto con distinta composición química en cada caso, fabricadas según el procedimiento al que se hace referencia en la invención, se tomaron unas pruebas después de una conformación en caliente y se analizó su grado de pureza o el contenido de inclusiones no metálicas según DIN 50 062 y ASTM E 45/85 Método D. Los resultados se compararon nuevamente con resultados de 92 muestras de materiales del mismo tipo, aunque fabricados según el estado actual de la técnica, y pueden verse en la Tabla 2 (contenido de inclusiones de aceros PM para herramientas K0) y en la Tabla 4 (contenido de inclusiones de aceros PM para herramientas según valor ASTM).50 blank pieces with different composition chemical in each case, manufactured according to the procedure to which referenced in the invention, tests were taken after a hot shaping and its degree of purity or the content of non-metallic inclusions according to DIN 50 062 and ASTM E 45/85 Method D. The results were again compared with results of 92 samples of materials of the same type, although manufactured according to the current state of the art, and can be seen in Table 2 (content of PM steels inclusions for tools K0) and in Table 4 (content of PM steels inclusions for tools according to ASTM value).
Al realizar una evaluación del contenido de inclusiones en el material según DIN 50 062, Método K0, se determinaron en aceros para herramientas según la invención unos valores característicos totales de hasta 3 como máximo, con un porcentaje con este valor del 2%. Los aceros para herramientas fabricados según el estado de la técnica mostraron por el contrario, tal y como puede apreciarse en la Tabla 2, un contenido sustancialmente más elevado de inclusiones no metálicas, con un diámetro comparativamente mayor. En la Figura 5 puede verse una representación gráfica de los resultados de esta evaluación, habiéndose representado en la abscisa los valores característicos totales y en la ordenada su proporción en %. De acuerdo con ello muestra la curva A el material según la invención y la curva B un acero fabricado según el estado actual de la técnica.When conducting an evaluation of the content of inclusions in the material according to DIN 50 062, Method K0, se determined in tool steels according to the invention about Total characteristic values of up to 3, with a percentage with this value of 2%. Tool steels manufactured according to the state of the art showed by the on the contrary, as can be seen in Table 2, a content substantially higher than non-metallic inclusions, with a comparatively larger diameter. In Figure 5 you can see a graphic representation of the results of this evaluation, the characteristic values having been represented in the abscissa totals and in the ordinate their proportion in%. Accordingly curve A shows the material according to the invention and curve B a Steel manufactured according to the current state of the art.
Se realizó otra comprobación de la concentración o contenido de inclusiones no metálicas en aceros para herramientas fabricados mediante el procedimiento de metalurgia de polvos de acuerdo con ASTM E 45/85 Método D.Another concentration check was made or content of non-metallic inclusions in tool steels manufactured by powder metallurgy procedure according to ASTM E 45/85 Method D.
Tal y como se desprende de la Tabla 3 se determinó en 50 muestras de material fabricado según la invención (Curva A), con una cantidad de muestras de 3 y un porcentaje del 6,0%, un valor ASTM máximo de 1,5. Con un valor ASTM de 0,5 supuso el porcentaje el 68%. El material comparativo, fabricado según el estado de la técnica, mostró una concentración mayor y unas inclusiones más bastas (Curva B), lo que ha mostrado también de forma gráfica en la Figura 6, habiéndose representado de nuevo el valor ASTM sobre la abscisa y el porcentaje proporcional sobre la ordenada.As shown in Table 3, determined in 50 samples of material manufactured according to the invention (Curve A), with a quantity of samples of 3 and a percentage of 6.0%, a maximum ASTM value of 1.5. With an ASTM value of 0.5 assumed the percentage 68%. The comparative material, manufactured according to the state of the art, showed a higher concentration and about coarser inclusions (Curve B), which has also shown graphic form in Figure 6, having re-represented the ASTM value on the abscissa and the proportional percentage on the neat.
Los aceros para herramientas del tipo señalado pueden alearse con una concentración de azufre según la invención, tal y como se ha constatado sorprendentemente en las comprobaciones realizadas, del 0,5%, sin que a pesar de ello aumente sustancialmente el contenido de inclusiones no metálicas y se establezca un valor K0 según DIN mayor de 3.Tool steels of the type indicated they can be alloyed with a sulfur concentration according to the invention, as it has been surprisingly found in the checks made, of 0.5%, but in spite of this increase substantially the content of nonmetallic inclusions and it set a K0 value according to DIN greater than 3.
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